s11249-018-1115-x.pdf
Суть проблемы: когда защита становится угрозой
В современных двигателях внутреннего сгорания, особенно дизельных и с непосредственным впрыском бензина (GDI), накопление сажи в моторном масле является неизбежным процессом. Традиционно считалось, что сажа просто истирает поверхности, но данное исследование подтверждает более сложный и коварный механизм — коррозионно-абразивный износ. Его суть заключается в том, что противоизносные присадки, в первую очередь диалкилдитиофосфаты цинка (ZDDP), очень быстро реагируют с поверхностью металла, образуя относительно мягкие защитные слои из сульфидов и фосфатов железа. В присутствии сажи эти слои мгновенно сдираются абразивными частицами, обнажая свежий металл для новой реакции. Этот цикл «реакция — обдирание» приводит к гораздо более быстрой потере массы металла, чем если бы ZDDP в масле не было вовсе. В таких условиях классическая присадка превращается из защитника в катализатор износа.
Роль дисперсантов в механизме износа
Дисперсанты (в данном случае полиизобутиленсукцинимиды, PIBSA) необходимы для удержания сажи во взвешенном состоянии, но их влияние на износ оказалось крайне неоднозначным и зависящим от концентрации. Исследователи обнаружили, что при очень низком содержании дисперсанта (около 0,002% азота по массе) износ остается умеренным. Это объясняется тем, что сажа образует густые, вязкие структуры, которые плохо проникают в зону непосредственного контакта трущихся поверхностей. Однако при достижении промежуточной концентрации (около 0,02% азота), которая характерна для многих товарных масел, наблюдается резкий пик износа. Дисперсант делает частицы сажи мобильными, они легко проникают в контакт и начинают активно «счищать» мягкую трибопленку ZDDP. При дальнейшем увеличении концентрации дисперсанта (выше 0,1% азота) износ снова резко снижается.
Экспериментальное подтверждение и методы
Для имитации сажи в работе использовался технический углерод (Carbon Black) марки Vulcan XC72R в концентрации 5%. Испытания проводились на установке HFRR (высокочастотный возвратно-поступательный стенд) при температуре 100 °C. Чтобы понять физику процесса, авторы применили комплекс методов: реологические исследования показали, как меняется вязкость сажевых дисперсий, а динамическое рассеяние света (DLS) позволило оценить размер агрегатов сажи. Для визуализации процессов формирования и удаления пленок использовалась установка MTM-SLIM, которая с помощью оптической интерферометрии в реальном времени измеряет толщину трибопленки. Ключевым этапом стал анализ микроснимков поверхностей с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM-EDS) и подготовка тончайших срезов пленок с помощью фокусируемого ионного пучка (FIB) для последующего изучения в просвечивающем электронном микроскопе (TEM).
Почему некоторые дисперсанты работают лучше
Исследование восьми различных типов дисперсантов показало, что не все они ведут себя одинаково. Большинство демонстрирует описанный выше пик износа на средних концентрациях. Однако несколько образцов (в частности, D3 и D8) смогли подавить высокий износ во всем диапазоне концентраций. Общим признаком «эффективных» дисперсантов является сочетание высокой молекулярной массы и высокой функциональности (большое количество аминных групп в молекуле). Анализ методом FIB-TEM показал, что в присутствии таких дисперсантов на поверхности металла сохраняется плотный и однородный слой сульфида железа толщиной 60–80 нм. В то время как при использовании «плохих» дисперсантов этот слой либо очень тонкий (около 35 нм), либо прерывистый.
Механизм защиты: гипотезы и выводы
Авторы приходят к выводу, что при высоких концентрациях дисперсанта (или при использовании специфических высокоэффективных марок) реализуется механизм защиты зарождающейся трибопленки. Дисперсант либо адсорбируется на самой пленке сульфида железа, создавая дополнительный барьер, либо настолько сильно обволакивает частицы сажи, что они теряют способность эффективно соскабливать реакционный слой с металла. Важно отметить, что сажа в любом случае удаляет верхний, более толстый слой фосфата цинка, который обычно виден при измерениях. Но критически важным для предотвращения катастрофического износа является сохранение именно тонкого первичного слоя сульфида железа.
Практический смысл исследования
Работа наглядно показывает, что противоизносные свойства масла в присутствии сажи — это результат тонкого баланса между ZDDP и дисперсантом. Простое добавление ZDDP может только ухудшить ситуацию, если система диспергирования подобрана неверно. Для инженеров и химиков-технологов это означает необходимость тщательного подбора молекулярной структуры дисперсанта: высокая функциональность и длинные полимерные цепи позволяют не просто «разжижать» сажу, но и защищать поверхность металла от её абразивного воздействия в агрессивной химической среде. Исследование подтверждает, что правильно выбранный дисперсант способен нейтрализовать «про-износный» эффект ZDDP в загрязненных сажей двигателях.
так принято считать.
